ZmSUS4耐旱性优异等位基因的发掘及功能解析

Sucrose synthase (SUS) is one of the key enzymes in the metabolism of sucrose, which is an important signal molecule regulating drought resistance in plants. However, the relationship between genetic variations of sucrose synthases (ZmSUSs) and drought tolerance in maize remains unclear. We have performed genome-wide identification of ZmSUSs and candidate gene-based association analysis, and found that natural variations of ZmSUS4 are significantly associated with drought tolerance at the seedling stage (P<3.8×10-4). Nevertheless, the favorable ZmSUS4 allele and the mechanism underlying ZmSUS4-mediated drought resistance remain to be elucidated. In this study, we will identify the favorable ZmSUS4 allele that confers drought-resistance by resequencing the promoter and protein-coding regions of ZmSUS4 and by assessing ZmSUS4 RNA levels and protein activities under drought. We will validate the role of ZmSUS4 through overexpressing ZmSUS4 and investigate its mechanism leading to drought tolerance. Also, the favorable ZmSUS4 allele will be studied by constructing NILs containing the drought-resistant allele and by assessing lines with marker-assisted selection. The result will provide a valuable genetic resource and marker-assisted genomic selection target, facilitating molecular breeding to enhance maize drought tolerance.

蔗糖是植物抵御干旱的信号分子，蔗糖合成酶（Sucrose synthase，SUS）是蔗糖代谢途径中所必须的关键酶之一，然而玉米蔗糖合成酶（ZmSUSs）遗传变异与耐旱性的关系尚不清楚。前期研究通过全基因组鉴定ZmSUSs及其基因家族关联分析的方法，发现了ZmSUS4的自然变异与苗期耐旱性显著相关（P<3.8×10-4），但其增强玉米耐旱性的机制及其优异等位基因在玉米耐旱性分子改良中的作用仍有待于进一步的研究。本研究将重测序ZmSUS4的启动子和蛋白编码区域，鉴定ZmSUS4在干旱条件下的基因表达、蛋白活性，发掘ZmSUS4的耐旱性优异等位基因。通过过表达实验验证、阐述ZmSUS4调控耐旱性的机理，并使用分子辅助选择的方法构建ZmSUS4耐旱性等位基因的近等基因系以评价其优异等位基因的耐旱性效应。本研究成果将为玉米耐旱的分子育种提供新的基因资源和选择靶点。

在全球范围内，干旱是影响玉米生产的主要非生物胁迫之一，研究玉米耐旱的分子机制将有助于玉米耐旱性的提高。使用蛋白结构域pfam00862，本文发现了6个玉米蔗糖合成酶ZmSUSs，并命名为ZmSUS1-6。本研究使用候选基因关联分析的方法发现了ZmSUS4的遗传变异与玉米耐旱性显著相关。本文发现ZmSUS4可以在苗期参与玉米响应干旱的生理过程。ZmSUS4在三叶期的叶片里的表达量较低，而在R1期的旗叶、雄穗和雌穗里表达量较高，说明ZmSUS4在玉米生长发育的各个时期均有表达，且表达模式在不同的生长发育时期呈现出多样性。在干旱处理下，ZmSUS4在旗叶和雄穗里的表达均高于对照。除V16期外，ZmSUS4的表达量在V12和V14均上调表达。对ZmSUS4表达调控和基因编码区域重测序，在控制缺失率小于20%和最小等位基因频率大于0.05的条件下，获得了43个高质量的遗传多态性位点。使用混合线性模型的关联分析方法，发现SNP571/732在除重度干旱外，与ZmSUS4的表达量变异相关，SNP858与玉米耐旱性相关。使用孟德尔随机化的（MR）的方法将ZmSUS4的表达量同玉米的耐旱表型做相关分析，发现ZmSUS4的表达量同表型是正调控的关系，暗示着ZmSUS4的表达量改变能够影响玉米耐旱性的变异。